J‑PARC リニアック立体回路システムの設計と調整
菅沼A)

,A)

和明 1, 穴見B)B)

昌三 , 久保田親 , 千代悦司

A)

, 山口

誠哉

B)

日本原子力研究所 大強度陽子加速器施設開発センター 加速器グループ〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方白根2-4B)

高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設〒305-0801 茨城県つくば市大穂1-1

概要
J-PARCリニアック高周波立体回路システムの設計と調整について報告する。汎用電磁場解析ソフトを使い立体回路各素子の設計を行った結果、測定値とよく一致する結果が得られた。立体回路システムの調整では、加速空洞からの要求である、2つの入力結合器における電場の振幅と位相の誤差 を ±1%, ±1 °以内とするための調整方法について報告する。

(VSWR<1.05) す る こ と が 必 要 で あ る 。 今 回 、 立 体
回路システムの中で、設計が未了であった扁平導波 管 の 素 子 、 HとEの両コーナー、標準扁平導波管変換器の設計をおこなった。
本立体回路システムは、１つのクライストロンから２つの入力結合器へ高周波電力を供給する構成になっている。加速空洞からの要求である振幅と 位 相 の 誤 差 を ±1%,±1°以内とするための立体回路の調整方法を報告する。
調整用導波管
WR2300‑halfH

１．はじめにSpacer[1]

H
Spacer

WR2300EE

Phase
shifter

CTDL

J-PARC プ ロ ジ ェ ク ト の リ ニ ア ッ ク は 周 波 数324MHzと 972MHzを 使 用 し 、 負 水 素 イ オ ン を エ ネ
HCirculator
N‑F F
Powerfrom KlystronEHル ギ ー 400MeVま で 加 速 す る 。 324MHz 高 周 波 源
EdividerEF（ ク ラ イ ス ト ロ ン 、 電 源 、 Low-Level-RFなど）はE
E N‑F
製 作 に 入 り 、 平 成 16年秋のリニアック棟竣工と同E
E:E‑corner
時に設置する予定になっている。972MHzも含めた
H:H‑corner[2]
Pf
CT:Coaxial‑WG transformer
高周波源全体についてはテクニカルレポート を
to tank
F:Flexible WG
Pf
参照いただき、ここでは324MHz立体回路システム
DL:Dummy LoadCT
to tank
N‑F:Normal‑Flat transformerの設計と調整について述べる。図１に324MHz立体CT
回路システム全体の立面図を、図２に324MHz立体
図2 324MHz立体回路システム1ユニットの系統図．
回路システム１ユニットの系統図を示す。324MHz
立 体 回 路 シ ス テ ム は EIA規格WR-2300導波管（断面寸 法 584.2mm×292.1mm） と EIA 規格WX-203D同軸管２．立体回路素子の設計と測定で構成し、一部の導波管については導波管断面の設 計 に は 電 磁 場 解 析 ソ フ ト (HFSS)を用いたが、短 辺 が 1/2になっている扁平導波管を採用している。 立体回路素子の設計をおこなう前に矩形導波管の[3]クライストロン出力から空洞入口までの間で多数
管 内 波 長 お よ び 遮 断 周 波 数 が 解 析 解 と一致するの立体回路素子（サーキュレーター、電力分配器、 こ と を 確 認 し た 。 図 3 に立体回路素子の計算モデ移相器、Hコーナー、Eコーナー、同軸導波管変換
ル ( 計算機入力形状)を示す。HとEの両コーナーは器 な ど ）を用いているので、全系での反射を小さ
寸 法 b を 、 標 準 扁 平 導 波 管 変 換 器 は 寸 法 Lと寸法hくするためには各素子の反射を十分小さくを変化させ計算し、寸法の変化ごとにVSWRを求め

RFQDTLSDTL
図11324MHz立体回路システム全体の立面図．

E-mail: suganuma@linac.tokai.jaeri.go.jp

y584.2mm

入口

入口yx

Eコーナーz1.05

1.051.041.04a)

1.03
1.02
1.01h

146.
05mm

Hコーナー
m.1m
292

出口

L入口b)

1.03
1.02
1.01

1400

405410415420

425

1110115584.2mm

b (mm)
出口

図5yx
標準扁平導波管変換器

120125130

図3 324MHz立体回路素子の計算モデル．
測 定 に は Agilent Technologies 社 の ネ ッ ト ワ ー ク ア
ナライザー 8753ESを使用している。ここで測定前の 校 正 は TRL校正と１ポート校正の２校正をおこな い 、 HとEの両コーナーの測定を実施した。標準扁 平 導 波 管 変 換 器 はTRL後の測定のみ実施した。
図 ４ に １ ポ ー ト 校 正 後 の 測 定 方 法 を 示 す 。 N型同軸 導 波 管 変 換 器 と 324MHzのλg/４の長さの導波管を組み合わせて測定し極座標表示している。

HとE両コーナーの計算値と測定値．
a) Hコーナー, b) Eコーナー．

216a)
214
212

1.050
210

1.050

★

208

1.015

1.025 1.035
1.020

1.045

206

1.040

VSWR:1.03
204

測定11.02

CT1 DUT CT2

P3

1.030

1.050

1.055
1.060

202

1.01346 348 350 352 354 356 358 360 362 364 366 368 370 372 374L (mm)

測定2PDPBPAP1

CT1 1/4λg DUT CT2P2216

測定3214

CT1 DUT 1/4λg CT2b)

1.091

1.0521.039 1.026

1.078

212

1.065

CT1：同軸導波管変換機（信号発生器側）
CT2：同軸導波管変換機（終端器側）
DUT：被測定物（Device Under Test）
P1：測定１に対する座標
P2：測定２に対する座標
P3：測定３にたいする座標
PA：P1とP2の中点 , PB：P1とP3の中点
PD：PA‑PB
1ポート校正後の測定手順．

h (mm)

1.026

図4135b (mm)●：計算値,▲：測定値(TRL校正後), ■：測定値(1ポート校正後)

h (mm)

x出口584.2mm

146.05mm

b146.05mmbbbVSWRzz

それぞれのベクトルを合成することにより被測定物の値を求めている。（求める反射ベクトルはPDで あ た え ら れ る 。 ） 図 5にHとEの両コーナーの計
算 値 と 測 定 値 を 示 す 。両校正の測定値はよく一致し た 。 また計算値は、それらの測定値とよく一致
し て い る 。 図 6 に標準扁平導波管変換器の計算値と 測 定 値 を 示 す 。 測 定 は2つの素子を向かい合わせにし（標準導波管側）おこなった。等高線のパタ ー ン は 異 な る が 、 VSWR 極小をあたえる寸法Lと寸法hの組み合わせはほぼ一致した。

VSWRた。つぎに実際に立体回路素子を製作し測定をおこなった。計算と同じように、EとHの両コーナーは 寸 法 bを、標準扁平導波管変換器は寸法Lと寸法hを変化させ（各寸法を小さめに作っておき、アルミ板を銅テープで貼り付け）、変化ごとにVSWRを測定した。

2101.0521.065★

2081.039

1.013
206204
202
346 348 350 352 354 356 358 360 362 364 366 368 370 372 374

図6L (mm)
標準扁平導波管のVSWRのa) 計算値と b) 測定値．
★は決定寸法を示す．

ネ ッ ト ワ ー ク ア ナ ラ イ ザ ー の ノ イ ズ レ ベ ル (N)は、中間周波数のバンド幅(IFBW)に比例するが、S/N 比が悪い場合、測定値の標準偏差(σ)は√Nに比例するので、結局、σはIFBWの平方根に比例する。

３．立体回路システムの調整
3.1 調整手順
立体回路システムの調整手順を以下に記す。
１）各立体回路素子の位相長より計算される全位相長（分配器入口から空洞入口まで）を算 出 し 、 位 相 調 整 用 導 波 管 （ 図 2参照）の長さを決定する。
２）サ ー キ ュ レ ー タ ー 直 前 の Eコーナーから、2つの入力ポート直前に取り付けた203D‑N型変換器までの振幅、位相を測定し、スペーサ ー ( 図 2 参 照 ) を使ってさらに相対位相差が小さくなるよう調整をおこなう。
３）立体回路素子の分配器と位相器を使って電力 分 配 比 と 相 対 位 相 差 が ±1%,±1°以下となるように最終調整をおこなう。
４）2 つ の 空 洞 へ の 入 力 電 力 モ ニ タ ー （ 60dBの方 向 性 結 合 器 ,図2のPf）の振幅、位相差を測定する。この差をオフセットとする。

3.3 振幅と位相の調整
分 配 器 を 使 っ て 振幅の調整を実施した。位相差の 調 整 は 位 相 器 の 3 スタブを用い、分配比の調整[2]は 分 配 器 の 調 整 ボ タ ン を 用 い て お こ な う 。まず、移相器によって位相差が±１°以下になるように調整し、つぎに分配器によって分配比が±1%以下になるように調整する。このとき分配比を変えて[2]も位相差はほとんど変化しない 。図8に分配器の調整ボタン位置と分配比および位相差の関係を示す 。 調 整 ボ タ ン の 位 置 を64mmにすることにより2つの入力ポートにおいて分配比の値を等しくすることができる。
‑2.9‑3.1b)
0.5‑3.2
振幅と位相の一連の測定において、方向性結合0‑3.3器をとおした測定値は不安定であった。ネット‑3.4
ワークアナライザーの中間周波数のバンド幅と測‑0.5
入力ポート1定 の バ ラ ツ キ の 標 準 偏 差 （ 30 回 測 定 で の 標 準 偏‑3.5
入力ポート2差 ） の 関 係 を 求 め た 。 図7に中間周波数のバンド‑3.6‑1556065707580556065707580
幅を変えたときの振幅と位相の標準偏差を示す。
調整ボタン位置(mm)調整ボタン位置(mm)60dB 以上の減衰がある場合に、振幅、位相を±1%,
図8 分配器の調整ボタン位置と±1 ° よ り も 十 分 小 さ い 精 度 で 測 定 す る た め に は 、a) 分配比, b) 位相差の関係．
ネットワークアナライザーの中間周波数のバンド
幅 の 設 定 値 を 100Hz 以下にする必要があることが４．まとめ
わ か る 。この時のパワーレベルは+10dBmにしてい汎 用 電 磁 場 解 析 ソ フ ト を 使 って立体回路素子のる 。 ま た、同一人物の作業によるＮ型コネクタの設計をおこない、測定値とよく一致する結果がえ
脱着誤差はおよそ±0.01dBであった。
られた。この結果をもとに量産に入っている。
90dB
立体回路システムの調整では、組み立て段階で60dB
90dB
30dB
60dBの調 整 を お こ な っ た 。 2つの入力ポートにおける3dB
10010030dB3dBa)
電場 の 振 幅 の 差 と 位 相 の 差 を ±1%、±1°以内にb)1010するための測定方法を確立した。
1
0.1
0.01

位相の標準偏差(deg)

振幅の標準偏差(%)

分配比(dB)

3.2 測定値と中間周波数の関係

1a)位相差(deg)

‑3

10.1

参考文献

0.01

[1] Y. Yamazaki, “The JAERI-KEK Joint Project for The High-Intensity Proton Accelerator , J-PARC” , PAC2003,
Portland(2003).
100
1000
10000
[2]High-Intensity Proton Accelerator Project Team,
中間周波数のバンド幅(Hz) 中間周波数のバンド幅(Hz)“Accelerater Technical Design Report for High-Intensity
図7 中間周波数のバンド幅と振幅,位相のProton Accelerator Facility Project , J-PARC ” JAERI標準偏差の関係．a) 振幅, b) 位相．
Tech 2003-044, KEK Report 2002-13.
[3] 安 部 英 太 郎 , マイクロ波技術
東京大学出版会(1979)．
0.001
100.001
10100

100010000